基于非線性互補算法的太陽能電池儲能系統設計與網絡建模

李曉麗

（河南輕工職業學院，河南 鄭州 450002）

當前，太陽能電池儲能系統受到社會各界的廣泛關注。然而，傳統儲能系統往往面臨著太陽能轉化效率低、電池蓄電穩定性差等問題，難以滿足日益增長的能耗需求[1]。對此，本研究提出了基于非線性互補算法的太陽能電池儲能系統設計與網絡建模方法。在分析太陽能儲能發展趨勢的同時，提出了更為有效的儲能網絡建模思想。

1 太陽能儲能系統研究現狀及發展趨勢

太陽能儲能系統利用電池板獲取太陽光能源，經過光伏逆變器的轉化處理后，所生產能源被暫時存儲于儲能系統之中，以供下級電網或其他耗能設備的調取與利用。

發展太陽能儲能，一方面可以實現對太陽光能源的合理轉化與利用，在不污染自然環境的同時，滿足下級電網及其他能源設備的運行需求；另一方面以太陽光為能源，驅動儲能系統、電池板等部件結構，可以提升儲能系統的蓄能穩定性，從而實現能源的合理利用[2]。

開發太陽能電池儲能系統，并將其與現有電網組織相結合，必將成為可再生能源的未來主流發展方向。完整的太陽能儲能系統能源轉化方式如圖1所示。

圖1 太陽能儲能系統的能源轉化方式Fig.1 Energy conversion mode of solar energy storage system

對于太陽能儲能系統的研究需要考慮以下因素：

（1）儲能量的時間變化：太陽能電池板的實時輸出功率會隨時間的變化而不斷變化，因此在設計太陽能電池儲能系統時，應考慮時間變化對能源存儲量的影響。

（2）電池儲能環境的變化：溫度、濕度等外界條件的變化，會造成太陽能電池的蓄電能力發生改變，故在設計太陽能電池儲能系統時，應盡量維持儲能環境的穩定性。

（3）能源管理策略：太陽能電池儲能系統具有極為可觀的發展前景，既能夠高效轉化太陽能，也可以對儲能資源進行高效利用，但若不能完善對能源的管理策略，依然有可能導致能源浪費的問題。

2 基于非線性互補算法的電池儲能收斂性分析

2.1 太陽能儲能的等價非線性互補

對于太陽能電池儲能系統而言，等價非線性互補是指太陽能轉化量、電池元件儲能量在耗能級別方面保持等價狀態，且二者功率曲線均表現出非線性變化狀態。由于太陽能是將系統外部能源轉化為可供系統組織利用的能量，而電池元件儲能則是以其他形式對系統內部能源進行存儲，二者的表現行為相反，所以非線性互補只是對能耗數值的描述，并不涉及能源信號的轉化形式[3]。

對于太陽能儲能等價非線性互補標準的計算，參考公式(1)。

ξ表示等價儲能系數，x表示太陽能轉化量，c表示電池元件儲能量，ω表示非線性利用效率。

2.2 收斂性計算

收斂性是對太陽能電池儲能系統實時儲能效率的描述，基于非線性互補算法可知，無論是太陽能轉化效率還是電池元件儲能效率，都不會表現出持續上升的變化趨勢，當二者瞬時功率接近極大值時，其后續功率水平會在一段時間的穩定狀態后，開始不斷下降，而這個穩定數據就是太陽能電池儲能系統的儲能效率收斂值。

設σ表示太陽能轉化參數，M表示電池元件的瞬時儲能參數，v?表示太陽能電池儲能系統的儲能效率收斂值。在上述物理量的支持下，聯立公式(1)，可將基于非線性互補算法的太陽能電池儲能系統收斂性計算式表示為

如果太陽能電池儲能系統運行過程中，儲能功率發生了多次變化，那么儲能效率收斂值計算結果也會隨之出現多次變化。

3 太陽能電池儲能系統的網絡建模與設計

3.1 電池儲能元件

電池儲能元件是太陽能電池儲能系統的核心運行模塊，具有DC/DC、DA/AC 兩種不同的運行模式，具體結構模型如圖2所示。

圖2 電池儲能元件結構模型Fig.2 Structure model of battery energy storage components

對于電池儲能設備來說，DC/DC運行模式下，變壓器的瞬時能耗能夠得到有效控制，太陽能變換器中的振蕩行為足以驅動能源信號的濾波傳輸，從而滿足系統的儲能需求；DA/AC運行模式下，電池儲能設備完整轉存能源信號所需時間較長，故太陽能轉化器對于太陽光的實時轉化效率也就相對較低，能源信號的濾波傳輸行為較為平穩，變壓器元件所消耗能源能夠得到有效控制，系統變現出快速儲能的運行狀態。

3.2 動態儲能模型

動態儲能模型是指在考慮環境和時間變化的情況下，對太陽能電池儲能系統的建模和分析。在太陽能電池儲能系統中，動態儲能模型可以用于模擬蓄電池充放電過程、能量傳輸以及儲能管理等方面。規定?表示太陽能電池的動態化儲能系數，l→表示太陽能資源的動態轉化向量，dmax表示電池元件的最大瞬時儲能量，dmin表示最小瞬時儲能量，聯立上述物理量，可將太陽能電池儲能系統的動態儲能模型表達式定義為

基于非線性互補算法建立動態儲能模型時，可以結合仿真軟件和數學建模思想，模擬太陽能電池的儲能過程，并根據能源信號的實際存儲與消耗情況，評估系統的效率與運行能力，從而完成對儲能系統網絡模型的優化設計。

4 結論與展望

通過上述分析可知基于非線性互補算法的太陽能電池儲能系統的優越性如下：

（1）太陽能轉化效率得到保障，能源浪費問題能夠得到較好解決；

（2）在推動可再生能源發展方面提供了全新的研究思路。

（3）應用非線性互補算法有助于協調太陽能電池儲能系統的儲能模式，使其在轉化高效可再生能源的過程中，始終保持穩定的蓄電能力。

未來，相關組織機構可以在此網絡模型的基礎上，針對太陽能電池儲能系統的應用展開深入研究，并探索更多的技術手段和優化策略，以推動可再生能源快速發展為目標，進一步提高儲能系統的運行效率與穩定性。